【摘要】 本研究深入分析动态散射在像差校正透射电镜图像定量对比中的影响机制，通过3C-SiC样品的多层模拟揭示不同球差条件下原子对比度变化规律，为定量HRTEM分析提供重要参考。

引言

透射电子显微镜（TEM）作为材料科学领域的核心工具，在定性鉴定晶体结构和定量测量纳米级参数（如原子位移、元素分布和局部成分浓度）方面发挥着不可替代的作用。然而，定量高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）研究长期以来受到显微镜分辨率限制、动态散射效应以及对比度传递函数（CTF）调制引起的成像畸变的制约，这些因素严重影响了原子尺度定量信息的准确提取。

像差校正透射电子显微镜的出现革命性地提升了原子尺度定量HRTEM的分析能力。与高分辨率扫描透射电子显微镜相比，HRTEM具有图像采集时间短、信噪比高的优势——前者减少了外部干扰和图像漂移的影响，后者增强了对缺陷区域对比度变化的识别能力。负球差成像（NCSI）技术的应用进一步强化了轻元素的图像对比度，为定量分析提供了新的可能。

 

研究方法与样品选择

本研究以3C-SiC样品为研究对象，采用多层图像模拟方法系统分析动态散射的影响。3C-SiC具有锌闪石结构，晶格参数为4.36Å，是化合物半导体中常见的晶体结构。选择该材料的原因在于其原子柱对（"哑铃"结构）在[110]方向投影中间距为1.09Å的C和Si原子列对，非常适合研究轻元素与重元素的图像对比度特性。

图1 3c - sic晶体结构的透视图（a）和沿[110]方向的投影图（b）

研究团队系统模拟了不同球差系数（CS=+10m和CS=-10m）下的最佳离焦图像，分析了C原子柱和Si原子柱图像对比度随样品厚度（t）变化的规律。样品厚度从1.1nm逐步增加到13.2nm，以1.1nm为增量步长，全面评估动态散射的效应。

 

结果与发现

正球差系数条件下的对比度变化

在CS=+10m的正球差条件下，模拟结果显示：

  • 当t≤3.3nm时，SiC哑铃结构呈现暗对比度

  • 当t=4.4nm时，原子柱中心出现明亮峰

  • C和Si原子柱的图像对比度随原子占比增加呈近乎线性增长

图2 模拟SiC[110]的最佳离焦图像

 

负球差系数条件下的对比度特性

在CS=-10m的负球差条件下，碳化硅哑铃结构始终呈现鲜明对比：

  • C原子柱和Si原子柱的对比度变化趋势与正球差条件显著不同

  • 图像对比度增加使暗哑铃更暗，亮哑铃更亮

  • 动态散射效应导致相邻Si和C对比度峰之间产生重叠

图3 模拟CS =−10 m时SiC[110]的最佳离焦图像

 

动态散射的影响机制

通过对比分析，发现动态散射对不同类型图像产生差异化影响：

​1.对于CS阳性恢复的结构图像​：C原子柱图像对比度增加，Si原子柱对比度基本保持不变

​2.对于CS阴性恢复的结构图像​：C和Si原子柱的对比度变化规律与最佳离焦图像存在显著差异

​3.差异根源​：动态散射的不同权重效应导致C和Si原子对比度随厚度变化规律不同，以及相邻对比度峰的重叠效应

 

讨论与应用意义

本研究深入揭示了动态散射对像差校正HRTEM图像定量对比的影响机制。由于CTF调制和动态散射效应的存在，在使用像差校正HRTEM图像进行原子柱位置确定和原子占位分析时需要格外谨慎。

反褶积处理恢复的结构图像展现出独特优势：

  • 拓宽了实验成像条件范围，不再依赖最佳离焦条件

  • 减少了相邻对比度峰之间的重叠

  • 更适合进行图像对比度分析和原子尺度定量信息提取

这些发现为高质量定量HRTEM分析提供了重要指导，特别是在含有轻重元素混合的材料体系中。

 

结论

本研究通过系统模拟分析，明确了动态散射在像差校正透射电镜图像定量对比中的关键影响。研究结果表明，动态散射效应随样品厚度变化显著影响C和Si原子柱的图像对比度，且在不同球差条件下表现出差异化特征。

通过反褶积处理可以有效克服这些限制，为原子尺度定量信息的准确提取提供了可靠方法。这些研究成果不仅深化了对动态散射机制的理解，也为未来定量TEM分析方法的优化提供了重要参考。

 

参考文献：1.Wen, C.; Smith, D. J., Impact of dynamical scattering on quantitative contrast for aberration-corrected transmission electron microscope images. Micron 2016, 89, 77-86.

 

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